CN105226610B - 一种变压器合闸励磁涌流消除器 - Google Patents
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Abstract
一种变压器合闸励磁涌流消除器，包括电压测量模块、控制器、电源模块，电压测量模块分别与系统侧电压互感器和负载侧电压互感器连接，电压测量模块还连接控制器，控制器连接电源模块；所述电压测量模块用于测量电网系统侧和负载侧母线电压，包括电压变换器、电压形成及运算放大器回路、采样保持及AD转换器，电压变换器连接电压形成及运算放大器回路，电压形成及运算放大器回路连接采样保持及AD转换器；提供一种变压器合闸励磁涌流消除器，能够完全消除变压器合闸励磁涌流，使变压器合闸不经过暂态过程，不对电网系统和环境产生任何危害。
Description
技术领域
本发明涉及电力变压器领域，具体涉及一种变压器合闸励磁涌流消除器。
背景技术
变压器是电力系统中进行能量转换的重要设备，长期以来，变压器合闸时总是会产生较大幅值的励磁涌流，常常导致变压器保护动作而合闸失败，也因励磁涌流较大、谐波复杂而对系统及其它电力设备有不良影响，传统的直接合闸不可避免会产生励磁涌流。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种变压器合闸励磁涌流消除器，能够完全消除变压器合闸励磁涌流，使变压器合闸不经过暂态过程，不对电网系统和环境产生任何危害。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种变压器合闸励磁涌流消除器，包括电压测量模块、控制器、电源模块，电压测量模块分别与系统侧电压互感器和负载侧电压互感器连接，电压测量模块还连接控制器，控制器连接电源模块；所述电压测量模块用于测量电网系统侧和负载侧母线电压，包括电压变换器、电压形成及运算放大器回路、采样保持及AD转换器，电压变换器连接电压形成及运算放大器回路，电压形成及运算放大器回路连接采样保持及AD转换器；所述控制器包括CPU模块、PWM驱动电路、人机接口模块、断路器控制与状态模块，CPU模块连接有采样保持及AD转换器，CPU模块还分别与PWM驱动电路、人机接口模块、断路器控制与状态模块连接；所述电源模块包括励磁电源、整流滤波器、PWM逆变器，励磁电源连接整流滤波器，整流滤波器连接PWM逆变器， PWM逆变器连接主变压器负载侧，整流滤波器和PWM逆变器还与PWM驱动电路连接；所述整流滤波器和PWM逆变器由大功率电力电子器件组成。
优选的，还包括励磁变压器，励磁变压器设于PWM逆变器与负载侧母线之间，当励磁侧电压较高时，使用励磁变压器升高励磁电压至变压器励磁侧额定电压。
优选的，所述人机接口模块包括显示器、键盘，用于向CPU模块输入系统参数、控制指令等。
优选的，所述断路器控制与状态模块包括光电隔离器、并行接口电路，光电隔离器设于系统侧断路器与负载侧断路器处，系统侧断路器、负载侧断路器的位置、状态信号经过光电隔离器的隔离转换后，通过并行接口电路连接CPU模块；同时，CPU模块通过并行接口电路、光电隔离器向系统侧断路器、负载侧断路器发送分闸、合闸命令，控制断路器的分闸、合闸。
优选的，所述大功率电力电子器件为IGBT、IGCT、GTO、MOSFET或SIT。
一种变压器合闸励磁涌流消除器的方法，在控制器控制下，在变压器负载侧绕组加入幅值从0开始快速增大的励磁电压，而在变压器系统侧绕组上产生与系统侧母线电压相位一致的绕组电压，在变压器负载侧励磁电流达到额定励磁电流时，变压器系统侧绕组产生额定电压，通过控制器微调PWM逆变器调制信号，使变压器系统侧绕组电压与系统侧母线电压大小、相位完全一致，满足同期合闸条件，系统侧断路器合闸时，变压器铁芯中已建立了稳态磁场，变压器合闸不经过暂态过程，绕组中不产生励磁涌流。
一种变压器合闸励磁涌流消除器的方法，其特征在于：在变压器空载合闸前， CPU模块通过调节PWM调制信号，通过总线及并行接口电路，向整流滤波器和PWM逆变器的大功率电力电子器件栅极发送控制命令，控制大功率电力电子器件的导通与截止，从而控制PWM逆变器输出从0开始快速增大的输出电压，经过励磁变压器升压成为合闸主变压器的励磁电压；CPU模块控制PWM调制信号，使该信号符合以下条件：其相位是根据主变压器参数计算而得到的，其幅值从0开始按预定的斜坡函数或双曲函数趋势快速增加，使PWM逆变器输出电压快速达到稳定值，励磁变压器输出电压快速达到合闸主变压器的额定励磁电压，变压器绕组中产生的励磁电流也从0开始快速增加并迅速达到额定值，变压器系统侧绕组电压也快速达到稳定电压；通过测量系统侧及负载侧的母线经过电压互感器输入CPU模块的电压，计算变压器系统侧绕组电压与系统侧母线电压的相位与幅值差，微调PWM逆变器调制信号，使变压器系统侧绕组电压与系统侧母线电压大小、相位完全一致，完全满足同期合闸条件，此时，控制器向系统侧断路器发出合闸命令，变压器完成合闸操作；变压器合闸时，铁芯中已建立稳态磁场，绕组电压等于系统侧母线电压，变压器合闸不经过暂态过程直接进入稳态运行状态，变压器绕组中不产生励磁涌流。此时，变压器合闸励磁涌流消除器停止工作、退出运行状态。
本发明提供一种变压器合闸励磁涌流消除器，有益效果如下：
1、采用同期合闸的方式，从根本原理上彻底解决变压器合闸励磁涌流难题，同时，具有电压控制精确、输出稳定、响应时间短、适合快速投切等优点。
2、采用大功率电力电子器件，在励磁侧电压不高时，可不采用升压励磁变压器，因此，结构紧凑、体积小、重量轻，可以制作成移动式、车载式的轻便结构，适合工业批量生产。
3、采用新型大功率电力电子器件，可提高整个消除器的功率和响应速度，适合变电站、电力机车等复杂恶劣的电磁环境中使用。
4、可根据变压器的结构和应用，变压器合闸励磁涌流消除器可以是单相或者三相方式。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明变压器合闸励磁涌流消除器与电网连接的结构示意图；
图2为本发明变压器合闸励磁涌流消除器的结构示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种变压器合闸励磁涌流消除器，包括：
（1）电压测量模块，电压测量模块包括电压变换器、电压形成及运算放大器回路、采样保持及AD转换器，系统侧及负载侧一次侧电压经过电压互感器、电压测量模块后，转换为数字信号，读入CPU模块。
（2）电源模块，电源模块由励磁电源、整流滤波器、PWM逆变器组成，励磁电源采用380/220V交流电源，经过变换后，为变压器提供励磁电压；励磁电源连接整流滤波器，整流滤波器连接PWM逆变器， PWM逆变器连接主变压器负载侧；整流滤波器由6组IGBT、IGCT、GTO、MOSFET或SIT等大功率电力电子器件组成的三相全控整流桥、滤波电容器组成；PWM逆变器是由6组大功率电力电子器件组成的三相全控逆变桥，其结构、元件与三相全控整流桥完全一样，在控制器控制下，工作在整流方式下，PWM逆变器的输入端正负极连接整流滤波器输出端，整流桥和逆变桥电力电子器件栅极G1至G12与控制器的PWM驱动电路连接。其功能是将励磁电源先通过整流滤波成直流电压的同时，经过PWM方式逆变成交流电压，再经过必要的励磁变压器升压至负荷侧电压，为变压器合闸提供励磁电流。
（3）控制器，电网侧电压互感器和负载侧电压互感器的输出端连接至由电压变换器、电压形成及运算放大器回路、采样保持及AD转换器组成电压测量模块，电压测量模块的输出端连接至CPU模块的数据总线，用于测量电网系统侧和负载侧母线电压；断路器控制与状态模块输出端连接至CPU模块的输入输出接口，用于向CPU模块输入断路器状态信息，和CPU向断路器发送分闸、合闸命令；PWM驱动电路输入端连接至CPU模块的输入输出接口，用于CPU模块向整流器和PWM逆变器的大功率电力电子器件发出栅极控制命令，控制大功率电力电子器件的导通和截止，完成将励磁电源经整流滤波、PWM逆变变换成变压器励磁电压，提供变压器合闸励磁电流。人机接口模块连接至CPU模块的输入输出接口，包括显示器、键盘等，用于向CPU模块输入系统参数、控制指令等。
同时，变压器合闸时的运行环境，应该具备的电网系统设备：系统侧母线、负载侧母线、系统侧电压互感器、负载侧电压互感器、系统侧断路器、负载侧断路器，以及励磁电源；本发明的变压器合闸励磁涌流消除器在与上述电网系统设备相联正常后，启动运行。
控制器根据人机界面输入的参数以及电压测量模块测量的系统侧母线和负载侧母线电压，通过调整PWM调制函数波形，调节整流滤波器、PWM逆变器大功率电力电子器件组的导通和截止，控制PWM逆变器输出电流从0开始快速增大，使变压器励磁电流不经过暂态过程从0增加到额定励磁电流，使变压器系统侧绕组的电压迅速达到电网系统电压的大小和相位，并且变压器系统侧绕组的电压与电网系统电压保持稳定同步，这一过程中的PWM逆变器输出电压从开始输出到达到稳态的时间很短，但变压器不产生励磁涌流。
所述断路器控制与状态模块，包括光电隔离器、并行接口电路，系统侧断路器、负载侧断路器的位置、状态信号经过光电隔离器的隔离转换后，通过并行接口电路，读入CPU模块；同时，CPU通过并行接口电路、光电隔离器向系统侧断路器、负载侧断路器发送分闸、合闸命令，控制断路器的分闸、合闸。
人机界面用于操作员向控制器模块输入控制参数和控制命令，本发明的装置在投入运行前，应先完成正确的接线，CPU模块正确读入两侧母线电压信号及断路器位置与状态信号，操作员通过人机界面向本发明的装置输入合闸变压器和励磁变压器参数、励磁电源参数、装置运行方式、装置启动及停止运行命令等。
所述整流滤波器和PWM逆变器模块为大功率电力电子电路，由大功率电力电子器件（IGBT、IGCT、GTO、MOSFET或SIT等）和滤波电容器组构成，整流滤波器和PWM逆变器，由PWM驱动电路构成其栅极控制部分，CPU模块通过总线及并行接口电路向整流滤波器和PWM逆变器的大功率电力电子器件栅极发送控制命令，控制器导通与截止。
一种变压器合闸励磁涌流消除的方法，在变压器合闸励磁涌流消除器的控制器控制下，在变压器负载侧绕组加入幅值从0开始快速增大的励磁电压，而在变压器系统侧绕组上产生与系统侧母线电压相位一致的绕组电压，在变压器负载侧励磁电流达到额定励磁电流时，变压器系统侧绕组产生额定电压，通过控制器微调PWM逆变器调制信号，使变压器系统侧绕组电压与系统侧母线电压大小、相位完全一致，满足同期合闸条件，系统侧断路器合闸时，变压器铁芯中已建立了稳态磁场，变压器合闸不经过暂态过程，绕组中不产生励磁涌流。
一种变压器合闸励磁涌流消除的方法：在变压器空载合闸前， CPU模块通过调节PWM调制信号，通过总线及并行接口电路，向整流滤波器和PWM逆变器的大功率电力电子器件栅极发送控制命令，控制大功率电力电子器件的导通与截止，从而控制PWM逆变器输出从0开始快速增大的输出电压，经过励磁变压器升压成为合闸主变压器的励磁电压；CPU模块控制PWM调制信号，使该信号符合以下条件：其相位是根据主变压器参数计算而得到的，其幅值从0开始按预定的斜坡函数或双曲函数趋势快速增加，使PWM逆变器输出电压快速达到稳定值，励磁变压器输出电压快速达到合闸主变压器的额定励磁电压，变压器绕组中产生的励磁电流也从0开始快速增加并迅速达到额定值，变压器系统侧绕组电压也快速达到稳定电压；通过测量系统侧及负载侧的母线经过电压互感器输入CPU模块的电压，计算变压器系统侧绕组电压与系统侧母线电压的相位与幅值差，微调PWM逆变器调制信号，使变压器系统侧绕组电压与系统侧母线电压大小、相位完全一致，完全满足同期合闸条件，此时，控制器向系统侧断路器发出合闸命令，变压器完成合闸操作；变压器合闸时，铁芯中已建立稳态磁场，绕组电压等于系统侧母线电压，变压器合闸不经过暂态过程直接进入稳态运行状态，变压器绕组中不产生励磁涌流。此时，变压器合闸励磁涌流消除器停止工作、退出运行状态。
对于因运行环境需要工作于频繁分闸、合闸状态的变压器，高电压、大容量变压器，应用本发明的变压器合闸励磁涌流消除器可以消除变压器合闸励磁涌流对系统带来的电压波动、谐波等不利影响，避免变压器合闸引起保护误动、运行变压器的和应涌流、系统设备损坏等状态的发生。本发明的变压器合闸励磁涌流消除器也适合于单相变压器、电力机车及牵引变压器等应用环境。
Claims (5)
1.一种变压器合闸励磁涌流消除器，包括电压测量模块、控制器、电源模块，其特征在于：电压测量模块分别与系统侧电压互感器和负载侧电压互感器连接，电压测量模块还连接控制器，控制器连接电源模块；
所述电压测量模块用于测量电网系统侧和负载侧母线电压，包括电压变换器、电压形成及运算放大器回路、采样保持及AD转换器，电压变换器连接电压形成及运算放大器回路，电压形成及运算放大器回路连接采样保持及AD转换器；
所述控制器包括CPU模块、PWM驱动电路、人机接口模块、断路器控制与状态模块，CPU模块连接有采样保持及AD转换器，CPU模块还分别与PWM驱动电路、人机接口模块、断路器控制与状态模块连接；
所述电源模块包括励磁电源、整流滤波器、PWM逆变器，励磁电源连接整流滤波器，整流滤波器连接PWM逆变器， PWM逆变器连接主变压器负载侧，整流滤波器和PWM逆变器还与PWM驱动电路连接；所述整流滤波器和PWM逆变器由大功率电力电子器件组成；
还包括励磁变压器，励磁变压器设于PWM逆变器与负载侧母线之间，当励磁侧电压较高时，使用励磁变压器升高励磁电压至变压器励磁侧额定电压；
所述人机接口模块包括显示器、键盘，用于向CPU模块输入系统参数、控制指令。
2.根据权利要求1所述一种变压器合闸励磁涌流消除器，其特征在于：所述断路器控制与状态模块包括光电隔离器、并行接口电路，光电隔离器设于系统侧断路器与负载侧断路器处，系统侧断路器、负载侧断路器的位置、状态信号经过光电隔离器的隔离转换后，通过并行接口电路连接CPU模块；同时，CPU模块通过并行接口电路、光电隔离器向系统侧断路器、负载侧断路器发送分闸、合闸命令，控制断路器的分闸、合闸。
3.根据权利要求1所述一种变压器合闸励磁涌流消除器，其特征在于：所述大功率电力电子器件为IGBT、IGCT、GTO、MOSFET或SIT。
4.采用如权利要求1-3任意一项所述一种变压器合闸励磁涌流消除器的方法，其特征在于：在控制器控制下，在变压器负载侧绕组加入幅值从0开始快速增大的励磁电压，而在变压器系统侧绕组上产生与系统侧母线电压相位一致的绕组电压，在变压器负载侧励磁电流达到额定励磁电流时，变压器系统侧绕组产生额定电压，通过控制器微调PWM逆变器调制信号，使变压器系统侧绕组电压与系统侧母线电压大小、相位完全一致，满足同期合闸条件，系统侧断路器合闸时，变压器铁芯中已建立了稳态磁场，变压器合闸不经过暂态过程，绕组中不产生励磁涌流。
5.采用如权利要求1-3任意一项所述一种变压器合闸励磁涌流消除器的方法，其特征在于：在变压器空载合闸前， CPU模块通过调节PWM调制信号，通过总线及并行接口电路，向整流滤波器和PWM逆变器的大功率电力电子器件栅极发送控制命令，控制大功率电力电子器件的导通与截止，从而控制PWM逆变器输出从0开始快速增大的输出电压，经过励磁变压器升压成为合闸主变压器的励磁电压；CPU模块控制PWM调制信号，使该信号符合以下条件：其相位是根据主变压器参数计算而得到的，其幅值从0开始按预定的斜坡函数或双曲函数趋势快速增加，使PWM逆变器输出电压快速达到稳定值，励磁变压器输出电压快速达到合闸主变压器的额定励磁电压，变压器绕组中产生的励磁电流也从0开始快速增加并迅速达到额定值，变压器系统侧绕组电压也快速达到稳定电压；通过测量系统侧及负载侧的母线经过电压互感器输入CPU模块的电压，计算变压器系统侧绕组电压与系统侧母线电压的相位与幅值差，微调PWM逆变器调制信号，使变压器系统侧绕组电压与系统侧母线电压大小、相位完全一致，完全满足同期合闸条件，此时，控制器向系统侧断路器发出合闸命令，变压器完成合闸操作；变压器合闸时，铁芯中已建立稳态磁场，绕组电压等于系统侧母线电压，变压器合闸不经过暂态过程直接进入稳态运行状态，变压器绕组中不产生励磁涌流，此时，变压器合闸励磁涌流消除器停止工作、退出运行状态。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171124 |